淺析主流無(wú)線電測(cè)向技術(shù)體制

引言

　　隨著各級(jí)無(wú)線電管理部門不斷加大投資力度,加快無(wú)線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè),全國(guó)無(wú)線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的格局正逐步形成。如何合理地配備先進(jìn)的無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和正確選擇監(jiān)測(cè)、測(cè)向系統(tǒng)的技術(shù)體制，降低建設(shè)成本，加快建設(shè)周期，提高監(jiān)測(cè)效率，已經(jīng)成為無(wú)線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)中的一個(gè)重要課題。

　　無(wú)線電測(cè)向就是利用無(wú)線電測(cè)量設(shè)備測(cè)定目標(biāo)無(wú)線電信號(hào)的來(lái)波方位。根據(jù)不同的測(cè)向方法，將測(cè)向體制分為幅度比較式測(cè)向體制、沃特森-瓦特測(cè)向體制、干涉儀測(cè)向體制、多普勒測(cè)向體制、空間譜估計(jì)測(cè)向體制等。干涉儀測(cè)向體制中基于復(fù)數(shù)電壓測(cè)量的相關(guān)干涉儀測(cè)向體制以其具有測(cè)向準(zhǔn)確度高、測(cè)向靈敏度高、測(cè)向速度快、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、設(shè)備復(fù)雜度較低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前無(wú)線電監(jiān)測(cè)中主流的測(cè)向體制。

相關(guān)干涉儀測(cè)向體制的基本原理與技術(shù)基礎(chǔ)

　　1.1 基本原理

　　在遠(yuǎn)離輻射的某一觀察面上，設(shè)置由幾個(gè)天線構(gòu)成的天線陣列，盡管各天線可能有一些差別，并對(duì)電場(chǎng)有一定的擾動(dòng)，但只要是穩(wěn)定不變的，那么對(duì)一個(gè)確定頻率、確定方位到達(dá)的電波，各天線元間輸出一個(gè)確定的相對(duì)復(fù)電壓數(shù)組，它們?cè)趶?fù)數(shù)平面上，就有一個(gè)確定的圖案，如圖1。



　　如果在給定的頻率上對(duì)θ1，θ2，…，θm，…，θm+1(θm=360m/M，m=0，1，…，M-1)方位上的電波事先測(cè)量并存儲(chǔ)M個(gè)復(fù)數(shù)組作標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，那么在同樣頻率上對(duì)未知方向電波按同樣程序?qū)崟r(shí)測(cè)得一個(gè)復(fù)數(shù)組，并用該復(fù)數(shù)數(shù)組與對(duì)應(yīng)不同方向的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組進(jìn)行比較，就會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中找到一個(gè)最接近的數(shù)組（對(duì)應(yīng)θn）和次接近的數(shù)組（對(duì)應(yīng)θn+1）。如果M值足夠大，說(shuō)明待測(cè)電波的到達(dá)方向在θn與θn+1之間，通過(guò)內(nèi)插運(yùn)算，就可求得未知電波的到達(dá)方向。

　　1.2 基本工作模式

　　相關(guān)干涉儀測(cè)向方法的基本工作模式:

　　（1） 設(shè)置一個(gè)天線陣列，天線陣列為圓形，陣元為3～9個(gè);

　�。�2） 通過(guò)復(fù)數(shù)電壓測(cè)量技術(shù)，事先對(duì)不同的頻率、眾多方向的電波建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù);

　�。�3） 對(duì)未知電波測(cè)向時(shí)，首先按照建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的程序?qū)崟r(shí)測(cè)得一個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)組;

　　（4） 通過(guò)相關(guān)（比較）運(yùn)算，求得電波的到達(dá)方向。

　　1.3 相關(guān)干涉儀測(cè)向技術(shù)基礎(chǔ)

　　從測(cè)向原理與模式的描述，相關(guān)干涉儀測(cè)向技術(shù)基礎(chǔ)可歸納為兩點(diǎn):

　�。�1）建立一套系統(tǒng),可完成對(duì)天線陣列、各陣元間復(fù)數(shù)電壓測(cè)量，并達(dá)到所要求的精度和速度;

　�。�2）按相關(guān)干涉儀機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型和樣本群，并進(jìn)行相關(guān)處理。

　　需要強(qiáng)調(diào)的是，只有復(fù)數(shù)電壓才能反映各天線的實(shí)際輸出。對(duì)一個(gè)天線陣列和一個(gè)理想的平面波場(chǎng)，各天線輸出電壓應(yīng)該是幅度相同，只有相位上的差別�？蓪�(shí)際上，陣列中的各天線不可能完全一致，并存在互耦，再加上天線的二次輻射對(duì)電波場(chǎng)也產(chǎn)生擾動(dòng)，故各天線輸出值既有相位差別，也有幅度差別。

　　當(dāng)天線間隔接近或大于半波長(zhǎng)時(shí)，只有復(fù)數(shù)電壓才是唯一確定的，如某天線輸出幅度和相位相對(duì)參考天線分別為0.9和210°,復(fù)數(shù)表示為U=acosΦ+jasinΦ=0.9cos210°+j0.9sin210°=-0.779- j0.5,這在復(fù)數(shù)平面上對(duì)應(yīng)唯一確定的矢量,這種唯一性不受孔徑大小限制,即允許天線陣為大孔徑。若只用相位來(lái)表示,由于相位測(cè)量范圍限制在±180°,這時(shí)只能測(cè)出-150°。原本是相位滯后210°,卻變成相位超前150°,至少存在210°與150°的模糊,這就限制孔徑不能很大,天線元最大間隔不能超過(guò)λmin/2
相關(guān)干涉儀測(cè)向體制原理框圖

　　從原理上講，復(fù)數(shù)電壓測(cè)量至少需要兩部以上幅度和相位相同的接收機(jī)進(jìn)行工作，但R&S公司已開發(fā)出只用一部接收機(jī)測(cè)量復(fù)數(shù)電壓的技術(shù)，即單信道相關(guān)干涉儀，其原理圖見圖2。



相關(guān)干涉儀測(cè)向體制的合理應(yīng)用

　　相關(guān)干涉儀具有高靈敏度、高準(zhǔn)確度、高抗干擾度等突出優(yōu)點(diǎn)，是目前較為先進(jìn)的測(cè)向體制。由于其技術(shù)含量較高和設(shè)計(jì)制造難度較大，故售價(jià)要高出相位體制或幅度體制。如何保證高質(zhì)量的設(shè)備發(fā)揮高質(zhì)量的效果呢？下面談幾點(diǎn)建議。

　　3.1 選擇大孔徑天線陣

　　大孔徑天線陣的選擇是常被忽視的問(wèn)題，甚至有人認(rèn)為天線陣越小越好。相關(guān)干涉儀測(cè)向同時(shí)使用了天線間的矢量電壓的分布，在很大程度上避免了所謂天線間隔誤差和多值性的制約，因而可以使用大尺寸天線陣。在考慮固定站使用測(cè)向系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡可能選用直徑大的天線陣，而作移動(dòng)車載測(cè)向系統(tǒng)使用則應(yīng)考慮便攜性。

　　3.2 合理進(jìn)行安裝

　　用作固定站使用時(shí)，只要天線陣離塔頂平臺(tái)的高度大一些即可，而作移動(dòng)車載測(cè)向系統(tǒng)使用時(shí)，如果離開車頂高度小于1米，車體的影響不可忽略。離車頂高度越小，影響就越嚴(yán)重。表1是德國(guó)R&S公司DDF190裝在面包車上校正前的誤差與抽樣值。

　　R&S公司給出不進(jìn)行校正時(shí)的誤差數(shù)據(jù)，在20 MHz～30 MHz時(shí)為12°RMS，30 MHz～200 MHz時(shí)為5°RMS，200 MHz～1300 MHz時(shí)為3 °RMS。

　　車體誤差校正慣用的方法是測(cè)出誤差校正表，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)修正。由于車體影響產(chǎn)生的誤差值對(duì)電波相對(duì)車頭的到達(dá)方向都十分敏感，特別是在偏開車頭±（30°～60°）和±（120°～160°）時(shí)入射方向變化幾度，車體帶來(lái)的影響就可能由+20°變?yōu)?20°，因此誤差表校正時(shí)越校越大。實(shí)踐證明誤差校正表對(duì)頻率或方位緩慢變化的誤差起作用，對(duì)較快變化的誤差特性幾乎無(wú)效。因而R&S公司建議原廠裝車校正，校正的機(jī)理是把車體作為天線陣的一部分進(jìn)行處理，這樣做使車體的影響減小2～3倍。

　　3.3 合理選擇安裝地點(diǎn)

　　作固定站使用時(shí)，要認(rèn)真分析安裝地點(diǎn)的條件，通常考慮以下幾方面:

　�。�1）設(shè)備的作用范圍與所要求的監(jiān)測(cè)區(qū)相符;

　�。�2）天線陣周圍無(wú)高大建筑群和大功率發(fā)射臺(tái);

　　（3）在配置多個(gè)站點(diǎn)時(shí)，各站間距離和位置符合定位精度要求的布局;

　　（4）天線盡可能架在高塔上，可增加作用范圍和降低周圍建筑物影響。

　　總之，相關(guān)干涉儀測(cè)向體制以其在寬頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高準(zhǔn)確度、高抗干擾度，并便于應(yīng)用在高架和車載方面，且有很好的同道干擾抗擾度等突出的性能，理應(yīng)成為監(jiān)測(cè)站首選的測(cè)向體制。